JP4337394B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いる燃料電池に係り、特に単セルを構成するセパレータの流通溝に流れる反応ガスや冷却媒体のシール構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質形燃料電池は、電解質膜の両面に電極を配した膜電極接合体を、表面に反応ガスの流通溝を備えたセパレータで挟持して単セルを構成し、このように構成した単セルを複数層積層して構成されるのが通例である。
図３は、従来のこの種の燃料電池において燃料電極に対向して組込まれるセパレータの構成を例示した正面図である。図に見られるように、燃料電極に対向するセパレータ２には燃料ガス用の流通溝３が形成されており、一方の燃料ガスマニホールド６、例えば図中右下に位置する燃料ガスマニホールド６より供給された燃料ガスは、この流通溝３を流れたのち、もう一方の燃料ガスマニホールド６、例えば図中左上に位置する燃料ガスマニホールド６より外部へ排出される。図中に７および８で示されているマニホールドは、それぞれ、他のセパレータに形成されている流通溝に空気あるいは冷却媒体を供給、排出する空気マニホールドと冷却媒体マニホールドである。また、流通溝３と燃料ガスマニホールド６の外側、および空気マニホールド７と冷却媒体マニホールド８の外周には、これらを取り囲むシール溝４が備えられており、このシール溝４にガスケットを配して締付けることによって流通溝を流れる反応ガス、および冷却媒体をシールしている。なお、燃料ガスマニホールド６と流通溝３との接続個所には、電解質膜を挟んで対向するガスケットの応力を受け止める役割を果すカバープレート９が備えられている。
本構成において、反応ガスおよび冷却媒体のシールに用いられるガスケットは、セパレータに固定する方法によって、嵌め込み式ガスケットと一体成形ガスケットの２種類に分類される。前者は、Ｏリングのように予め成形されたガスケットをセパレータのシール溝に嵌め込んで固定する方法であり、後者は、射出成形によってセパレータの表面上にガスケットを成形して固定する方法である。
【０００３】
ガスケットに求められる最も重要な機能であるシール性能を高めるには、ガスケットの弾性変形による応力を高めることが有効であり、変形量を大きくしたり、硬いガスケット材を用いることによって高いシール性能が得られる。しかしながら燃料電池に用いられるこの種のガスケットにおいては、高い圧力でガスケットを圧縮すると、長時間運転に伴ってガスケットが永久変形を生じ、セルに加わる圧縮力が大きく変動するので好ましくない。この難点を回避するものとして、特許文献１等には、図４に示したごとく、突起を設けたガスケット１をセパレータ２のシール溝中に配し、二つのガスケット１の突起の間に膜電極接合体を挟んでシールすることによって、少ない圧縮力で高いシール性能を確保する構成が開示されている。
【０００４】
また、燃料電池に用いられるこの種のガスケットにおいては、燃料電池の組立てを容易にするために、膜電極接合体を挟んで向かい合う２枚のセパレータに配置されたガスケットの位置が多少ずれても所定のシール性能が維持される必要がある。この要求に対応するものとして、特許文献２には、向かい合うガスケットの幅を変えた構成が示されている。また、特許文献１には図５に見られるごとくガスケット１の凸状部をセパレータ２のシール溝中に配し、幅の広い面を膜電極接合体側に配して挟持する構成が示されている。
また、燃料電池は多数の膜電極接合体とセパレータとを交互に積層して組立てられるので、燃料電池に用いられるこの種のガスケットにおいては、燃料電池の組立時にセパレータから脱落しないよう構成されていることが必要である。このため、従来の燃料電池では、ガスケットとセパレータのシール溝との嵌め合いをきつくして脱落を防止する方法や、ガスケットをセパレータのシール溝へ接着剤で固定する方法が採られている。
【０００５】
一体成形ガスケットではセパレータからの脱落は生じないが、位置ずれを生じやすく、例えば図４のごとき突起構造では位置ずれによってシール性能が損なわれる可能性が高い。この難点を解決する構成として、図６に示したごとく、一方のガスケット（図中下側）に突起を設け、もう一方のガスケット（図中上側）を平面状に形成した構成が特許文献３に示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２８３８９３号公報
【特許文献２】
特開平１０−２２３２４１号公報
【特許文献２】
特開２００１−１８５１７４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のごとく、燃料電池のセパレータに組込まれるこの種のガスケットにおいては、優れたシール性能のほか、位置ずれに対する裕度が大きいこと、組立て時に脱落しないこと等が要求されるが、これらの要件を全て満たすガスケットは、未だ得られていない。すなわち、嵌め込み式ガスケットを用いたシール構成は、シール性能に優れ、位置ずれに対する裕度も大きいが、従来の嵌め込み式ガスケットではセパレータへの固定が十分でないという難点がある。このため、燃料電池の組立て工程においてガスケットを取付けた面を下に向けて作業を行う際、取付けたガスケットの一部、あるいは全部がシール溝から外れ、あるいは脱落して組立てに長時間を要したり、あるいは組立て不良となる危険性が高い。特に、位置ずれに対する裕度を大きくするために考案された前述の図５のごとき構成においては、セパレータへの固定が十分でなく、脱落が生じ易い。これに対して、ガスケットとシール溝との嵌め合いのよりきつい構成とすれば、セパレータからの脱落は防止できるが、ガスケットの変形を吸収する隙間も少なくなるので、締付け時に圧縮力を高めることが必要となり、膜電極接合体に多大な応力が加わるという難点がある。
【０００８】
一方、一体成形ガスケットを用いたシール構成の難点は、位置ずれに対する裕度の増大とシール性能の確保とを両立させるのが困難な点にある。既に述べたように、図４に示した構成では位置ずれに対する裕度が小さいので、図６のごとき構成が提案されているが、本構成においても、図３の燃料ガスマニホールド６と流通溝３との接続個所に配されたカバープレート９に対向する場所では、ガスケットの変形量が不足して十分なシール性能が得られないという危険性がある。
本発明は、かかる技術の現状と問題点を考慮にいれてなされたもので、本発明の目的は、シール機構を構成するガスケットが位置ずれを生じることなく、かつ脱落することなくセパレータに固定され、組立てが容易で、かつ、セパレータに備えられた流通溝に流れる反応ガスあるいは冷却媒体が互いに効果的にシールされる燃料電池を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
電解質膜の両面に電極を形成した膜電極接合体と、表面に反応ガスまたは冷却媒体の流通溝を備えたセパレータとを、流通溝が膜電極接合体に対向するように配設して形成した単セルを積層して構成される燃料電池において、
（１）前記流通溝の外側にシール溝と固定溝を備えたセパレータと、前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に配される反応ガスまたは冷却媒体の漏洩防止用のガスケットとを備え、前記ガスケットが、前記シール溝の底面に接してシール面を形成する第１の突起と、前記固定溝に嵌め合わされてガスケットを固定する第２の突起と、前記膜電極接合体に接する平らな面とを有するとともに、単セルの締付け前は、前記第１の突起の周囲と前記シール溝との間に空隙を有するように構成した。
【００１０】
（２）上記（１）において、さらに、ガスケットに、シール溝の側面に接触してガスケットを固定する第３の突起を備えることとする。
（３）また、上記（１）、（２）において、ガスケットの第２の突起を備えた部分の厚さを、第１の突起を備えた部分の厚さより薄く形成することとする。
上記の（１）のごとく構成すれば、セパレータの流通溝の外側に配されたシール溝の底面にガスケットの第１の突起が接してシールされるので小さな締付け力で効果的にシールすることができる。また、ガスケットにはシール溝の外側に配された固定溝に嵌め合わされる第２の突起が備えられているので、単セルの組立ての際に位置ずれや脱落を生じる危険性は大幅に抑制される。
【００１１】
また、上記の（２）のごとく構成すれば、ガスケットは、第２の突起によって外側が固定されるばかりでなく、第３の突起によって内側も固定されることとなるので、単セルの組立て時の位置ずれや脱落を生じる恐れがなくなる。
また、上記の（３）のごとく構成すれば、締付け時に第２の突起に加わる応力が回避され、第１の突起に所定の圧縮力を加えてシールすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の燃料電池における２枚のセパレータとこれらに挟まれるガスケットの構成例を示す要部の分解断面図である。また、図２は、この燃料電池の燃料電極に対向して組込まれるセパレータの構成を示す正面図である。
図１に見られるように、電解質膜１１の両面に電極１２を形成した膜電極接合体を挟持する２枚のセパレータ２には、端部の電解質膜１１に相対する部分にシール溝４と固定溝５が備えられており、ガスケット１には、シール溝４の底面に接する第１の突起１ａと、固定溝５に嵌め込まれる第２の突起１ｂと、シール溝４の内側側面に接する第３の突起１ｃが備えられている。上記のセパレータ２のシール溝４は、図２に例示した燃料電極に対向して組込まれるセパレータ２に見られるように、流通溝３と燃料ガスマニホールド６を取り囲む外側、および空気マニホールド７、冷却媒体マニホールド８を取り囲む外側に備えられており、これらの流通溝３の外側に固定溝５が備えられている。本構成においては、セパレータ２のシール溝４と固定溝５に上記の第１〜第３の突起を挿入してガスケット１を装着し、締付けて用いられるが、本構成では第２の突起１ｂが固定溝５に嵌め合わされて外側が固定されているばかりでなく、さらに第３の突起１ｃがシール溝４の内側から支持するので、装着されたガスケット１はセパレータ２により一層強固に取付けられる。したがって、装着に際してガスケット１の位置ずれが起きる恐れがなく、また、燃料電池の組立てに際して従来例のごときガスケットの離脱が生じる恐れもない。本構成のガスケットを締付ければ、シール溝４の底面に接する第１の突起１ａによってシールされるので、少ない締付け力でシールすることができる。なお、本構成に用いられているガスケット１においては、第１の突起１ａを備えた部分に比べて、第２の突起１ｂを備えた部分の厚さが薄く形成されており、締付けて圧縮する際に、第２の突起１ｂに過度に圧縮力が加わらない構成となっている。
【００１３】
なお、図２の図中右下側の燃料ガスマニホールド６の近傍に形成されているガスケット切断部収容溝１０は、カバープレート９と重なる部分にあるガスケット１を切断して用いる場合に、長めに切断したガスケット１を収納する溝である。このようにガスケット切断部収容溝１０を備えてガスケット１を長めに切断することとすれば、切断によってシールに必要な部分の第１の突起を損傷する危険性が回避される。
【００１４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、
電解質膜の両面に電極を形成した膜電極接合体と、表面に反応ガスまたは冷却媒体の流通溝を備えたセパレータとを、流通溝が膜電極接合体に対向するように配設して形成した単セルを積層して構成される燃料電池を、請求項１、さらには請求項２、請求項３に記載のごとく構成することとしたので、シール機構を構成するガスケットが位置ずれを生じることなく、かつ脱落することなくセパレータに固定されることとなり、組立てが容易で、かつ、セパレータに備えられた流通溝に流れる反応ガスあるいは冷却媒体が互いに効果的にシールされる燃料電池が得られることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池における２枚のセパレータとこれらに挟まれるガスケットの構成例を示す要部の分解断面図
【図２】図１の燃料電池の燃料電極に対向して組込まれるセパレータの構成を示す正面図
【図３】従来の燃料電池の燃料電極に対向して組込まれるセパレータの構成を例示した正面図
【図４】燃料電池用ガスケットの従来例を示す要部断面図
【図５】燃料電池用ガスケットの他の従来例を示す要部断面図
【図６】燃料電池用ガスケットの他の従来例を示す要部断面図
【符号の説明】
１ ガスケット
１ａ 第１の突起
１ｂ 第２の突起
１ｃ 第３の突起
２ セパレータ
３ 流通溝
４ シール溝
５ 固定溝
６ 燃料ガスマニホールド
７ 空気マニホールド
８ 冷却媒体マニホールド
９ カバープレート
１０ ガスケット切断部収容溝
１１ 電解質膜
１２ 電極

Claims (3)

1. 電解質膜の両面に電極を形成した膜電極接合体と、表面に反応ガスまたは冷却媒体の流通溝を備えたセパレータとを、前記流通溝が前記膜電極接合体に対向するように配設して形成した単セルを積層して構成される燃料電池において、
   前記流通溝の外側にシール溝と固定溝を備えたセパレータと、
   前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に配される反応ガスまたは冷却媒体の漏洩防止用のガスケットとを備え、
   前記ガスケットが、前記シール溝の底面に接してシール面を形成する第１の突起と、前記固定溝に嵌め合わされてガスケットを固定する第２の突起と、前記膜電極接合体に接する平らな面とを有するとともに、単セルの締付け前は、前記第１の突起の周囲と前記シール溝との間に空隙を有することを特徴とする燃料電池。
2. 前記ガスケットが、前記シール溝の側面に接触してガスケットを固定する第３の突起を備えてなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記ガスケットの第２の突起を備えた部分の厚さが、第１の突起を備えた部分の厚さより薄く形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。

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